Tema 9. Diagramas de Fase PDF

Tema 9. Diagramas de fase Facultad de Química Universidad de Sevilla Ciencia de materiales Curso 24/25 Contenido Conceptos básicos Limite solubilidad Diagramas de fase Binarios...

Tema 9. Diagramas de fase Facultad de Química Universidad de Sevilla Ciencia de materiales Curso 24/25 Contenido Conceptos básicos Limite solubilidad Diagramas de fase Binarios Composición Microestructura Ternarios Diagramas de fase de materiales cerámicos Diagramas de fase Fe-C 2 Conceptos básicos Sistema: serie de posibles aleaciones consistentes en los mismos componentes. (ej: sistema Fe-C). Fase: porción homogénea de un sistema. Solución sólida: conjunto, de al menos dos, tipos de átomos que se encuentran en una misma fase. Componente: elemento o compuesto que forma parte de una aleación (ej: Al en AlCu) Soluto: componente mayoritario Disolvente: componente minoritario. 3  Conceptos básicos Fase : aumento en proporción de Al (soluto) Sistema Al-Cu Fase : muy rica en Cu (disolvente) 4 Límite de solubilidad Límite de solubilidad: cantidad máxima de soluto (a una temperatura y presión determinada) que admite una disolución sólida antes de que se produzca una segregación de una segunda fase. 5 Límite de solubilidad Por lo general, se trabaja a P cte, por lo que las dos principales variables para estudiar el comportamiento de un sistema son composición y temperatura 6 Límite de solubilidad ¿Qué determina el límite de solubilidad en disoluciones sólidas? Aleaciones metálicas: Reglas de Hume-Rothery Crystal electroneg r (nm) Ni FCC 1.9 0.1246 Cu FCC 1.8 0.1278 Ni y Cu son miscibles/solubles en todas proporciones 7 Diagramas de equilibrio de fases Sistema en equilibrio: se encuentra en el mínimo de energía libre bajo unas condiciones de composición, temperatura y presión. Energía libre: función que depende de la energía interna del sistema y de la entropía (desorden del sistema). Equilibrio entre fases: el mínimo de energía libre del sistema lleva a la coexistencia de más de una fase. Estas permanecen constantes en el tiempo siempre que no varíen las condiciones de composición, temperatura y presión. 8 Diagramas de equilibrio de fases Sistemas de un componente: 9 Diagramas de fase binarios Nos indican las fases que se encuentran en equilibrio a T, C y P. Nos centraremos en: Sistemas binarios Variables independientes: T y C (P = 1 atm) Se pueden identificar 3 regiones: Líquido (L) Sólido + líquido (+L) Sólido () Las regiones están separadas por: Línea liquidus: separa líquido de líquido-sólido Línea solidus: separa sólido de sólido-líquido 10 Diagramas de fase binarios isoformos Isoformos: solubilidad total de un componente en el otro. La fase a se extiende de 0-100 wt% Ej: Cu-Ni. Los extremos nos muestran el comportamiento de los componentes puros Tm, Ni Tm,Cu 11 Diagramas de fase binarios Interpretación de los diagramas de fase binarios. ¿Qué información podemos obtener de los diagramas de fase? Conocer las fases presentes a una composición y temperatura determinada. La composición de cada una de las fases. La fracción relativa de cada una de las fases. 12 Diagramas de fase binarios Ejemplo: diagrama de fase Cu-Ni. L (líquido)  (solución sólida FCC) 13 Diagramas de fase binarios Determinación de la composición de las fases 14 Diagramas de fase binarios Determinación de la composición de las fases En áreas bifásicas: 1) Trazar rectas de reparto o isotermas 2) Se anotan las intersecciones de la línea de reparto con las líneas de equilibrio. 3) Trazar perpendiculares hasta cortar con el eje horizontal 15 Diagramas de fase binarios Determinación de la proporción entre fases. 16 Diagramas de fase binarios Determinación de la proporción entre fases. 1) Recta de reparto 2) Identificar segmentos de a cada fase 3) Aplicar ley de la palanca 17 Microestructura en aleaciones isomórficas Enfriamiento lento A 1270 ℃ empieza solidificación. A medida que se baja la temperatura la fase sólida aumenta y se enriquece en Cu. Núcleos de la fase sólida van creciendo consumiendo el líquido Fase sólida homogénea (es suficientemente lento para que se den los procesos de difusión necesarios) 18 Microestructura en aleaciones isomórficas Enfriamiento rápido Cambios de composición en sólido impedidos por enfriamiento rápido. Solidificación por capas con distinta composición (Ni decreciente) Shift en la línea del solidus por enfriamiento más rápido que difusión. Este shift también genera una mayor proporción de líquido. Distribución no homogénea de los componentes en sólido final 19 Microestructura en aleaciones isomórficas Enfriamiento rápido y enfriamiento lento Estructura en capas (cored) Capas externas mas ricas en componentes con Tm menor 20 Propiedades mecánicas Comportamiento de disoluciones sólidas 21 Sistemas binarios eutécticos Regiones: 3 monofásicas 3 bifásicas Solubilidad limitada de Ag en Cu y viceversa. Regiones monofásicas siempre separadas por bifásicas. Solo coexisten 3 fases a TE 22 Sistemas binarios eutécticos 23 Sistemas binarios eutécticos Para una aleación 40 wt% Sn - 60 wt% Pb a 150℃, determinar Fases presentes Composición de fases Cantidad relativa de las fases 24 Sistemas binarios eutécticos Para una aleación 40 wt% Sn - 60 wt% Pb a 220℃, determinar Fases presentes Composición de fases Cantidad relativa de las fases 25  Microestructura en sistemas eutécticos Composición, C < C0 (< 2 wt% Sn) Similar a sistema binario isomórfico 26 Microestructura en sistemas eutécticos Composición, C: C0 (< 2 wt% Sn) < C < 18.3 wt% Sn Primero nuclean cristales de la fase  Hay un rango de temperatura en el cual sólo hay sólido . Cuando cruzamos la línea de solvus, se generan pequeñas partículas o precipitado de la fase . 27 Microestructura en sistemas eutécticos Composición eutéctica, CE Microestructura eutéctica (laminar): capas alternas de fase  y  28 Microestructura en sistemas eutéctico La composición de las fases a y b es muy distinta por lo que la reacción eutéctica requiere la redistribución de los componentes por difusión. Resulta en estructura laminares 29 Microestructura en sistemas eutéctico Composición hipo- hiper-eutéctico 30 Microestructura en sistemas eutéctico 31 Diagramas de fase con compuestos intermedios 32 Diagramas de fase con compuestos intermedios Disoluciones sólidas terminales: un componente muy mayoritario. Se encuentran en los extremos Disoluciones sólidas intermedias: Estequiométricas (línea) No estequiométricas (región) 33 Reacciones eutectoides y peritécticas Reacciones eutectoides Reacciones que involucran tres sólidos. Durante el enfriamiento una fase sólida se transforma en otras dos fases distintas. En los diagramas de fase tiene forma de V sobre una isoterma eutectoide. 34 Reacciones eutectoides y eutécticas 35 Reacciones eutectoides y peritécticas Reacciones peritéctica Una fase sólida reacciona con una fase líquida para dar una sola fase sólida. Son reacciones lentas porque la reacción se da en la interfase de las dos fases (separándolas y haciendo la reacción más lenta) 36 Reacciones eutectoides y peritécticas 37 Reacciones eutécticas, eutectoides y peritécticas Eutéctica: liquido se transforma en dos fases sólidas Eutectoide: una fase sólida se transforma en dos fases sólidas. Peritéctica: un líquido y una fase sólida se transforman en una fase sólida. 38 Reacciones eutécticas, eutectoides y peritécticas 39  Transformaciones congruentes Transformaciones congruentes: no se produce un cambio de la composición (transformaciones alotrópicas o cambios de fase de compuestos puros) Transformaciones incongruentes: Existe una variación en la composición de las fases que se forman con respecto a las iniciales. 40 Diagramas de fase ternarios 41 Diagramas de fase ternarios 42  Diagramas de fase materiales cerámicos Diagrama de fase isomorfo Cr3+ (0.062nm) y Al3+ (0.053 nm). Mismo prototipo estructural 43  Diagramas de fase materiales cerámicos Diagrama de fase eutéctico Espinela: fase intermedia no estequiométrica Dos puntos eutécticos Mg insoluble en alumina Al es ligeramente soluble en MgO Radio ionico Al3+ menor que el de Mg2+ 44  Diagramas de fase materiales cerámicos Diagrama de fase con Eutéctico puntos eutectoides. Hay 3 fases para ZrO2 (polimorfismo) Cambios de fase llevan asociado grandes variaciones de volumen. Eutectoide Se compensa con Ca (3- 7%) Otros estabilizadores (Mg, Y) 45  Diagramas de fase materiales cerámicos Diagrama de fase con componentes insolubles 46 Diagramas de fase Fe-C Los aceros más sencillos son aleaciones de Fe-C, de ahí la importancia de su diagrama de fase. Generalmente los aceros no contienen más de un 7% de C Fases: -ferrita (BCC) -austenita (FCC -ferrita (BCC) Fe3C: carburo de hierro o cementita 47 Diagramas de fase Fe-C 48  Diagramas de fase Fe-C El carbono ocupa posiciones intersticiales en las disoluciones solidas Fe-C. La solubilidad en ferrita (BCC) es menor que en austenita (FCC) por el tamaño menor de los huecos en estructuras BCC. Propiedades mecánicas: Cementita: dura y frágil. Dependencia de la microestructura: cómo se mezclan cementita y ferrita. Propiedades magnéticas: la ferrita es magnética por debajo de los 768 ℃ 49  Diagramas de fase Fe-C Clasificación aceros según su contenido en C Hierro (hierro dulce, hierro forjado). Contienen menos de un 0.008 wt% de C Aceros: 0.008-2.14 wt% de C (ferrita y cementita a temperatura ambiente. Ejemplos de aceros usados para herramientas (cortar otro metales) Fe +1 wt % C + 2 wt % Cr Fe +1 wt % C + 5 wt % W + 6 wt% Mo Aceros inoxidables: (equipamiento para procesado de alimentos, cuchillos, …) Fundiciones: 2.14-6.7 wt% C. Generalmente menor